JP2001518849A - 正確な輪郭を有する幾何学的金属構造体製造のためのはんだペースト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、スクリーン印刷に適し、金属基材上に正確な輪郭を有する幾何学的金属構造体を製造するためのはんだペーストに関する。このはんだペーストは、有機結合剤系中に、ニッケル−ベースのはんだと高融点性の金属充填剤として、クロム、モリブデン、タングステン、マンガンまたは鉄元素の一つを含む粉末ニッケル合金の混合物８０〜９５重量％を含有する。結合剤系において、充填剤に対するはんだの重量比は２〜６：１であり、はんだの平均粒度が１０〜５０μｍであり、平均粒度で比較した場合の充填剤に対するはんだの粒度比が０.５〜２.５：１であることを特徴とする。この特徴により、付着はんだを用いて金属基材上に正確な輪郭を有する幾何学的金属構造体を製造することを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 正確な輪郭を有する幾何学的金属構造体 製造のためのはんだペースト 本発明は、はんだコーティングにより金属支持体上に、正確な輪郭を有する幾 何学的金属構造体を製造するために使用する、はんだペーストに関する。 はんだペーストは、様々な材料間の素材結合を提供する慣用技術として以前か ら使用されている。基材および個々の用途に依存して、様々な粉末体のはんだ合 金を、目的の達成のためにマトリックス材料である有機結合剤と混合して固めた り、ペースト状の合金の形で加工物上に適用したりする。この際、被膜の均一性 および厚みの必要条件に基づいて、例えば、計量分配、スクリーン印刷、浸潰ま たは噴霧による適用を実施できる。続く熱処理では、有機結合剤を完全燃焼し、 はんだが溶解液化相を形成するとほぼ同時に、加工物間に素材結合を誘起する。 液化はんだによる基材の濡れは、はんだペーストへの融剤の添加により促進され る。 同様の方法を、各加工物表面の素材結合表面コーティングの実施に使用できる 。はんだの均一な被膜は、いわゆるはんだコーティングにより基材上に形成され る。この技術は、有害な環境条件から基材を保護する 場合に有利に使用され、例えば、銅、スチールまたは黄銅板を錫メッキして使用 することにより耐食性を付与したり、タービン翼をコーティングして耐摩耗性を 付与する。この際、コーティングに使用されるはんだは、溶融状態（例えば、は んだバス、ドラッグはんだ、フレーム噴霧など）で用いるか、または懸濁状態あ るいははんだペーストの形で用いる。ＤＥ４３１５４７５Ａ１には、支持体上に はんだ薄肉被膜を形成する、懸濁状のはんだが記載されている。この場合、はん だの粉体は特異な粒度分布を有して有機結合剤中に懸濁しており、浸潰、噴霧ま たは刷毛塗りにより支持体に適用して支持体へはんだ付けする。しかし、浸漬、 刷毛塗りまたは噴霧によるこの方法では、支持体上に粗製な、または表面積の大 きな構造体を製造することしかできない。特別に調整した粘性およびレオロジー 特性を有する、既知のはんだペーストを使用することで、鮮鋭な輪郭を有するミ クロメーター規模の構造体を、例えばスクリーン印刷により実現できる。しかし 、浸潤過程で液化したはんだが基材表面上に不可逆的に流れてしまうため、続く 融解過程において、印刷されたはんだ被膜の末端勾配および末端鮮鋭度が喪失す る。はんだの流出範囲は、基材の湿潤性および溶融はんだの表面張力によって決 まる。この事実は、はんだおよび基材のどのような組合せにおいても、多かれ少 なかれ確認された。はんだ付け過程において、スクリ ーン印刷した正確な輪郭を有するはんだ被膜を、材料表面へある程度正常に収縮 させるべき時に、融解温度に到達したとたんはんだが流出してしまうことは好ま しからざる事態である。すなわち、結合剤の燃焼および焼結溶融過程で生じるペ ースト体積の減少は、被膜厚の減少であれば許容されるが、予め決定していた構 造体形の境界を越えて支持体へ流出した融解はんだについては排除されるべきで ある。典型的な適用例には、たとえば金属支持体と物理的に結合する空間的に制 限されたスペーサーまたは高さを正確に限定した増厚部の設置がある。はんだコ ーティングによって形成されるこのようなスペーサー部または増厚部は、多層ス チールシールの製造のために工業応用されている。このような適用では、多層ス チールシール中の封止を確実にできるよう、金属層に、正確な輪郭を有する空間 的に制限された増厚部を形成しなければならない。 ＤＥ４４４０５０３Ｃ１およびＤＥ１９５２８０３１には、封止作用を提供す る空間制限的な増厚環を有する、単層または多層平板シールの記載があり、この 環は、はんだ材料の焼結または溶融により製造される。しかし、これらの特許で は、この目的のために使用できるスクリーン印刷可能なはんだのペースト状合金 についても、このようなペーストを使用して、正確な輪郭を有する制限構造体を 製造する可能性のために実行すべき規準についても記載がない。 そこで、本発明の課題は、正確な輪郭を有する金属構造体を製造できるはんだ ペーストを提供することであり、このペーストは、スクリーン印刷により金属支 持体上に鮮鋭な輪郭を形成でき、またはんだ付け過程において、予め定めた構造 体形の２次元寸法を厳密に保持するものである。はんだペーストのこのような本 質的必要条件に加え、完成構造体の表面荒さ、被膜厚および平面度も、特定の応 用には非常に重要である。特に多層スチールシールのように、被膜を封止機能に 利用する場合に重要である。この場合、はんだ付け過程終了後の平均表面荒さは 、被膜厚が２５〜２５０μｍである時に荒さ高さ１５μｍを越えてはならない（ ＤＩＮ４７６８による平均荒さ高さＲ_z）。よって、はんだ付けされた構造体は 、負荷および機械的なストレスのもとであっても、最高３００℃までの温度に対 し、安定な輪郭を維持できなくてはならず、このことは、本発明のはんだペース トが、はんだ付け処理後の被膜に孔またはその他の変形性の部分を残留しない場 合にのみ達成できる。 これらの必要条件が、スクリーン印刷可能なはんだペーストにより実現される ことが見出された。このスクリーン印刷可能なはんだペーストは、有機結合系中 にニッケル−ベースと高温溶解性充填剤としてクロム、モリブデン、タングステ ン、マンガンまたは鉄から成る成分のひとつを有するニッケルの粉末合金を含む はんだ混合物８０〜９５重量％を含有し、充填剤に対するはんだの重量比が２〜 ６：１であり、はんだの平均粒度が１０〜５０μｍであり、平均粒度で比較した 場合の充填剤に対するはんだの平均粒度比は０.５〜２.５：１であることを特徴 とする。 すなわち本発明は、正確な輪郭を有する幾何学的金属構造体の製造のための前 記特性を有するはんだペーストを提供する。 さらに本発明は、はんだコーティングにより金属支持体上に正確な輪郭を有す る幾何学的金属構造体を製造するための、そのようなはんだペーストの使用を提 供する。 また、本発明は、はんだコーティングにより金属支持体上に正確な輪郭を有す る幾何学的金属構造体を製造する方法をも提供し、その方法としては、該はんだ ペーストの構造体をスクリーン印刷により支持体上に形成し、この構造体を乾燥 し、続く熱処理過程ではんだペースト中に存在する有機結合系を残留しないよう に分解し、次いではんだ材料が液化するまで温度を上昇させる。 本発明のはんだペーストは、有機結合系中に、粉末はんだおよび高温溶解性の 粉末金属充填剤を含有する。このはんだは粉末状で、平均粒度１０〜５０μｍ、 有利に２５〜４５μｍのニッケル−ベースはんだである。８５０〜１１００℃の 範囲で溶融するニッケル− ベースはんだが原則的に好適である。ニッケル−ベースはんだは当業者に公知で あり、当業者は、本発明の目的を達成するための必要条件に応じて、容易にはん だを選択できる。金属充填剤はクロム、モリブデン、タングステン、マンガンま たは鉄から成る成分のひとつを有するニッケルの粉末合金である。本発明におい て、充填剤に対するはんだの重量比は２〜６：１であり、平均粒度で比較した場 合の粒度比は０.５〜２.５：１である。有利に重量比は３.５〜４.５：１であり 、粒度比は１.０〜２.０：１である。はんだ粒子および粉末充填剤は主に球形で なければならない。球形かつ特定の粒度を有する金属粉末は、たとえば、好適な 溶融合金の噴霧および続く選別または分類などの公知の方法により製造できる。 例に挙げることのできる充填剤合金は、通常１３００℃よりも高い融点を有する 。充填剤に好適なニッケル合金は当業者に公知であり、当業者は本発明の目的の 必要条件に応じて、容易に合金を選択できる。ニッケル／クロム合金を充填剤と して有利に使用する。はんだペーストの金属成分が組成Ｎｉ８２.４Ｃｒ７Ｆｅ ３Ｓｉ４.５Ｂ３.１またはＮｉ７６Ｃｒ１４Ｐ１０を含有し、充填剤として組成 Ｎｉ８０Ｃｒ２０のニッケル／クロム合金を含むことが、多層スチールシール中 のスペーサーの製造のための必要条件として非常に有利であることが証明された 。 まず前記重量比で粉末はんだおよび充填剤を激しく混合し、次いでこの混合物 を有機結合系中へ分散させて本発明のはんだペーストを製造する。はんだペース トの製造に用いる結合剤系は既知である。スクリーン印刷が可能なペースト粘度 を得るには、ペーストが金属粉末混合物を８０〜９５重量％含有することが必要 である。この結合系は有機溶媒に溶解した有機結合剤を１〜１５重量％含有する 。この結合剤系は高分子有機結合剤、たとえばポリアクリレート、ポリイソブチ レンまたはセルロース誘導体のクラスから選択したものを相対蒸発速度１０００ 〜２００００として有機溶媒中に含有することが慣用である。典型的な溶媒は、 高沸点を有する脂肪族炭化水素、グリコール、グリコールエーテルまたは高沸点 を有するアルコールである。はんだペーストの動粘度を、全金属含有量から判断 してスクリーン印刷に必要とされる１０〜５０Ｐａ・ｓの値に調整する。 はんだペーストによる印刷は、結合剤系へのレオロジー活性添加物、たとえば ヒマシ油誘導体、の添加により制御でき、これによりはんだペーストにチキソト ロピー効果がもたらされてスクリーン印刷で形成された構造体は、浸潤工程また は乾燥工程においても流出しない。 本発明のはんだペーストは、もちろん、はんだ技術において慣用とされる添加 物、たとえば融剤、均展助 剤などをさらに含有できる。 粒度および混合比を本発明に従って選択すれば、スクリーン印刷により金属支 持体上に鮮鋭な輪郭を有したひび割れおよび膜孔のない構造体を製造できるよう な、印刷可能なはんだペーストを獲得できる。このはんだペーストは、湿潤時で も支持体を適度に湿らせ、一度乾燥すると流出なしに確固な固着被膜を形成する 。たとえば、封止材料として適用する際に使用する基材は、元来厚さが０.１０ 〜１.２０ｍｍ厚のステンレスシート１.４３０１、１.４０１６、１.４５１２、 同様のニッケルメッキ冷間圧延ストリップ１.０３３８および加熱処理可能なス テンレススチールである。構造体を印刷してすぐに、オーブンで約１２０〜１８ ０℃で１５〜３０分間かけて合金を乾燥し、たとえば連続炉中で、水素のような 還元雰囲気下に、１０５０℃で支持体との素材結合を形成する。有機結合剤は加 熱段階において残分の残留なく分解される。次に、担持された構造体を、はんだ が支持体に流れることなくなめらかな被膜になるように、８５０〜１１００℃の 範囲で溶融する。 意外にも本発明のはんだペーストを使用して、はんだコーティングにより正確 な輪郭を有する構造体を製造できることが見出された。このとき、スクリーン印 刷によって金属支持体上に担持された鮮鋭な輪郭を有する構造体もまた、はんだ 付け過程中およびその後に おいて、２次元または３次元的な形の正確な輪郭を保持し、末端の明瞭性もその 殆どを保持している。 充填剤に対するはんだの粒度比および混合比の両方が、はんだコーテイングに より製造される被膜の表面荒さおよび平面平行度に決定的な影響力を有する。本 発明で示した充填剤に対するはんだの粒度比および混合比を確保すれば、被膜厚 が２５〜２５０μｍ、特に５０〜１５０μｍであり、荒さ高さ（ＤＩＮ４７６８ の平均荒さ高さＲ_zによる）が１５μｍよりも低く、優れた平面平行度を有する はんだ被膜構造体を製造できることが見出された。 完成したはんだ構造体の金属組成検査により、意外にも、最初はんだペースト 中に存在していた充填剤粒子が、事実上消滅していることが明らかになった。か わりに、もとの充填剤合金中に含まれたものとは異なる元素組成を示す、新規形 成された針状結晶が、はんだマトリクス中に取り込まれているのが確認できる。 この高温溶解性の充填剤粒子は、明らかに異組成の結晶構造形成下に、はんだと 合金する。 組成Ｎｉ８０Ｃｒ２０の充填剤合金の場合に、組成Ｎｉ２０Ｃｒ８０の針状結 晶が形成される。この過程が、鮮鋭な輪郭を有し、かつ膜孔のないはんだ構造体 を形成するのに非常に重要であると推定される。 次の実施例は、本発明を更に説明するために示すものである。 実施例１ 平均粒度３５μｍの組成Ｎｉ８２.４Ｃｒ７Ｆｅ３Ｓｉ４.５Ｂ３.１のニッケル −ベースはんだＬ−Ｎｉ２１４４ｇを、平均粒度１７μｍのＮｉ８０Ｃｒ２０粉 末充填剤３６ｇとともに混転ミキサー中で３０分ホモジナイズする。このはんだ ／充填剤の混合比は４.０：１であり、はんだ／充填剤の平均粒度比は２.０：１ である。次いでこの粉末混合物を、ポリイソブチレン１５％、チキソトロープ剤 (Crayvallac SF)１％、残分に軽質ナフサを含有する結合剤２０ｇとともに、高 速撹拌機中で３０００ｒｐｍで激しく撹拌する。完全に分散するように、さらに ３０分間継続して撹拌する。室温まで冷却した後、シンナーを添加して粘度を３ ０Ｐａ・ｓに調整する。 このペーストは、数カ月の保存期間でも、分離せず安定である。１.４３０１ ステンレススチールの打抜きされたシート金属層の周囲に、鮮鋭な輪郭を有する 環状の形でこのペーストをスクリーン印刷し（スクリーンパラメーター：２１Ｔ 、１５０μｍメッシュサイズ）、乾燥キャビネット中で１３０℃で１５分間乾燥 した。乾燥すると直ちに被膜が支持体へ強固に固着する。ひび割れおよび膜孔の ない環状構造体の乾燥被膜厚は１２５μｍであり、幅は２.５ｍｍである。次い で成分を最高温度１０５０℃で水素存在下にはんだ付けする。最終的な被膜厚を 環状形はんだ被膜の様々な 部分で測定したところ、平均８６±１０μｍであった。荒さ高さＲ_zは１０μｍ よりも低く、このとき支持体に対して平面−平行では、被膜は１.５ｍｍの横断 面幅を有する。全長幅は、変化なく２.５ｍｍに保持されていた。 実施例２ 平均粒度３９μｍの組成Ｎｉ８２.４Ｃｒ７Ｆｅ３Ｓｉ４.５Ｂ３.１のニッケ ル−ベースはんだＬ−Ｎｉ２ ６３.７５ｇを、平均粒度３２μｍのＮｉ８０Ｃ ｒ２０粉末充填剤２１.２５ｇとともに混転ミキサー中で３０分ホモジナイズす る。このはんだ／充填剤の混合比は３.０：１であり、はんだ／充填剤の粒度比 は１.２：１である。次いでこの粉末混合物を、テキサノール(texanol)９４ｇ中 のポリブチルメタクリレート５ｇ（分子量１１００００ｇ／モル）およびレオシ ン(Rheocin、ヒマシ油誘導体、C.H.Erbsloeh)１ｇ溶液から成る結合剤系１５ｇ 中で、慣用の工業用分散装置を用いて３０００ｒｐｍで激しく撹拌し、３０分の 撹拌後、室温に冷却した。テキサノールの添加により粘度を１８Ｐａ・ｓに調整 した。 ニッケルメッキした冷間圧延ストリップ（１.０３３８）上へ、直径１００ｍ ｍの円状を打抜き、その周囲を４.８ｍｍ幅の環状形に、このペーストでスクリ ーン印刷し、１５０℃で乾燥した。はんだ付け前の乾燥被膜厚は６１μｍであり 、厚さのばらつきは±３μ ｍであった。水素存在下に連続炉中で１０５０℃ではんだ付けした後の被膜厚は ５３μｍであり、荒さは１５μｍであった。はんだ付けた環を通る横断面輪郭プ ロットを、図式的に評価すると、フィルム表面に対して平面−平行での幅は、２ .６ｍｍであった。 実施例３ 平均粒度４０μｍの組成Ｎｉ７６Ｃｒ１４Ｐ１０のニッケル−ベースはんだＬ −Ｎｉ７ １４６ｇを、平均粒度２５μｍのＮｉ８０Ｃｒ２０ ３４ｇとともに 混転ミキサー中で２０分間激しく混合する。このはんだ／充填剤の混合比は４. ３：１であり、はんだ／充填剤の粒度比は１.６：１であった。次いでこの粉末 混合物をヒドロキシプロピルセルロースの１.５％ジプロピレングリコール溶液 から成る結合剤２０ｇ中で、２５００ｒｐｍの高速撹拌機を用いて激しく撹拌し 、完全に分散するように１５分間分散させる。この操作中に温度は４０℃を越え てはならない。室温まで冷却後、粘度を２５〜３０Ｐａ・ｓに調整する。 １ｍｍ厚のステンレススチールホイル（１.４３０１）上に、直径１００ｍｍ の円状に打抜き、その周囲を５ｍｍ幅の環の形にこのペーストでスクリーン印刷 し、１５０℃で乾燥した。はんだ付け前の乾燥被膜厚は８３μｍであり、厚さの ばらつきは±５μｍであった。水素存在下に連続炉で１０５０℃ではんだ付けし た後の被膜厚は平均７０μｍであり、荒さは１２μｍ であった。はんだ付けした環を通る横断面輪郭プロットを、図式的に評価すると 、フィルム表面に対して水平−平面での幅は、３.１ｍｍであった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マンフレート コシュリッヒ ドイツ連邦共和国 アシャフェンブルク ダンクヴァルトシュトラーセ 28 (72)発明者 ハラルト クラッピッツ ドイツ連邦共和国 ハーナウ グライフェ ンハーゲンシュトラーセ 12 アー (72)発明者 ヴォルフガング ヴェーバー ドイツ連邦共和国 カールシュタイン ヘ ルシュタイナー シュトラーセ 48 (72)発明者 クラウス レネ ドイツ連邦共和国 ブルシャイト ビュル ガーマイスター―シュミット―シュトラー セ 50 (72)発明者 クラウス シュミット ドイツ連邦共和国 グリューネバッハ タ ールシュトラーセ ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 有機結合剤系中に、ニッケルベースのはんだと高温−融解性金属充填剤 としてクロム、モリブデン、タングステン、マンガンまたは鉄元素のうちの一つ を含有するニッケル粉末合金とから成る混合物８０〜９５重量％を含む、金属支 持体上に正確な輪郭を有する幾何学的金属構造体を製造するためのスクリーン印 刷の可能なはんだペーストにおいて、充填剤に対するはんだの重量比が２〜６： １であり、はんだの平均粒度が１０〜５０μｍであり、平均粒度で比較した場合 の充填剤に対するはんだの粒度比が０.５〜２.５：１であることを特徴とする、 金属支持体上に正確な輪郭を有する幾何学的金属構造体を製造するためのスクリ ーン印刷の可能なはんだペースト。 ２． はんだと充填剤の重量比が３.５〜４.５：１である、請求項１記載のは んだペースト。 ３． 粉末はんだの平均粒度が２５〜４５μｍである、請求項１または２記載 のはんだペースト。 ４． 平均粒度で比較した場合の充填剤に対するはんだの粒度比が１.０〜２. ０：１である、請求項１から３までのいずれか１項記載のはんだペースト。 ５． 充填剤がニッケル／クロム合金である、請求項１から４までのいずれか １項記載のはんだペースト。 ６． はんだが、組成Ｎｉ８２.４Ｃｒ７Ｆｅ３Ｓｉ４.５Ｂ３.１またはＮｉ ７６Ｃｒ１４Ｐ１０のニッケル−ベースはんだであり、充填剤が組成Ｎｉ８０Ｃ ｒ２０のニッケル／クロム合金である、請求項１から５までのいずれか１項記載 のはんだペースト。 ７． はんだコーティングにより金属支持体上に正確な輪郭を有する幾何学的 な金属構造体を生産するための、請求項１から６までのいずれか１項記載のはん だペーストの使用。 ８． はんだ付けたした時の被膜厚さが２５〜２５０μｍ、有利に５０〜１５ ０μｍであり、荒さ高さ（ＤＩＮ４７６８による平均荒さ高さＲ_z）が１５μｍ より低い構造体の製造のための、請求項７記載の使用。 ９． はんだコーティングにより金属支持体上に正確な輪郭を有する幾何学的 な金属構造体を製造するための方法において、請求項１から６に記載されるはん だペーストを用いて、スクリーン印刷により支持体上に構造体を形成し、この構 造体を乾燥し、はんだペースト中に存在する有機結合剤系を、後続の加熱処理段 階で残分の残留がないように分解し、次いではんだ材料が融解するまで温度を上 昇させることを特徴とする、はんだコーテイングにより金属支持体上に正確な輪 郭を有する幾何学的な金属構造体を製造するための方法。 １０． はんだ付けの温度が８５０〜１１００℃である、請求項９記載の方法 。